A maioria das pessoas, ao imaginar um átomo, imagina um pequeno núcleo, constituído de prótons e nêutrons, em torno do qual se movem um ou mais elétrons. Esta visão é baseada em uma interpretação da mecânica quântica baseada em partículas. Mas não é suficiente descrever átomos sob condições padrão.
Se você quiser revelar os segredos do universo, você só precisa interrogá-lo até que ele dê as respostas de uma forma que você possa entendê-las. Quando dois quanta de energia interagem - sejam eles partículas ou antipartículas, massivas ou sem massa, férmions ou bósons - seu resultado, em princípio, pode informar sobre as regras e leis que este sistema obedece. Se conhecermos todas as variantes possíveis dos resultados de qualquer interação, incluindo suas probabilidades relativas, só então podemos dizer que entendemos o que está acontecendo.
Surpreendentemente, tudo o que sabemos sobre o universo pode ser vinculado de uma forma ou de outra à entidade mais humilde que conhecemos: o átomo. Um átomo é a menor unidade de matéria que ainda retém as características únicas do mundo macroscópico, como propriedades físicas e químicas. E ao mesmo tempo é fundamentalmente uma entidade quântica, com seus níveis de energia, propriedades e leis de conservação. Além disso, esse átomo comum está associado a todas as quatro interações fundamentais conhecidas. Em um único átomo, você pode realmente ver toda a física. E aqui está o que ela pode nos dizer sobre o universo.
De escalas macroscópicas a subatômicas, o tamanho das partículas fundamentais desempenha um pequeno papel na determinação do tamanho das estruturas compostas. Ainda não se sabe se esses blocos de construção são realmente partículas fundamentais e pontuais, mas entendemos como o universo funciona desde escalas grandes e cósmicas até escalas pequenas e subatômicas. O corpo humano contém cerca de 10 28 átomos.
Aqui na Terra existem cerca de 90 elementos que apareceram naturalmente - como resultado do curso dos processos cósmicos que os criaram. Essencialmente, um elemento é um átomo cujo núcleo é composto de prótons (e possivelmente) nêutrons. Existem vários elétrons ao redor do núcleo, cujo número é igual ao número de prótons. Cada elemento tem seu próprio conjunto de propriedades, incluindo:
- dureza,
- Cor,
- ponto de fusão e ebulição,
- densidade (quantidade de massa por volume),
- condutividade (quão fácil é para os elétrons se moverem quando uma voltagem elétrica é aplicada)
- eletronegatividade (quão firmemente um núcleo atômico se agarra aos elétrons quando está ligado a outros átomos),
- energia de ionização (quanta energia é necessária para eliminar um elétron),
assim como muitos outros. Curiosamente, o tipo de átomo (e, portanto, todas as suas propriedades) é determinado por apenas uma quantidade: o número de prótons no núcleo.
A variedade de átomos e as regras quânticas que governam os elétrons que se movem em órbita ao redor dos núcleos - partículas idênticas - tornam possível, sem exagero, dizer que tudo sob o Sol consiste em átomos - de uma forma ou de outra.
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Cada átomo com um conjunto único de prótons no núcleo forma ligações exclusivas com outros átomos, então pode haver um número quase infinito de tipos de moléculas, íons, sais e estruturas maiores. As partículas subatômicas atuam umas sobre as outras principalmente com a ajuda de forças eletromagnéticas. Como resultado, ao longo do tempo, estruturas macroscópicas são formadas, as quais observamos não apenas na Terra, mas em todo o Universo.
A propriedade comum de todos os átomos é sua massa. E quanto mais prótons e nêutrons no núcleo, maior será a massa do átomo. E embora estas sejam entidades quânticas, e o diâmetro de um átomo não exceda um angstrom, o alcance da ação da gravidade não é limitado por nada. Qualquer objeto com energia - incluindo a energia de repouso que dá massa às partículas - irá deformar a estrutura do espaço-tempo de acordo com a teoria da relatividade geral de Einstein. Não importa quão pequena seja a massa, não importa quão pequena seja a distância, a curvatura do espaço-tempo causada por qualquer número de átomos - seja 10 57 átomos em uma estrela, 10 28 átomos em um corpo humano ou um átomo de hélio - ocorrerá exatamente de acordo com a relatividade geral.
O aparecimento de massa em uma rede tridimensional vazia faz com que suas linhas se dobrem de uma certa maneira. Eles parecem estar esticados em direção à massa. A curvatura do espaço devido ao efeito gravitacional da Terra é uma das formas de visualizar a gravidade, e a diferença fundamental entre a relatividade geral e a relatividade especial.
Existem também partículas carregadas eletricamente nos átomos. Os prótons têm carga elétrica positiva; nêutrons são neutros; a carga dos elétrons é igual em magnitude e de sinal oposto à carga dos prótons. Todos os protões com neutrões são ligados em um núcleo atómico com um diâmetro de apenas 10 -15m (femtômetro), e os elétrons estão em uma nuvem 100.000 vezes maior. Cada elétron está em seu próprio nível de energia exclusivo e pode se mover de um nível para outro apenas com uma mudança discreta de energia.
Isso é notável por duas razões. Primeiro, quando um átomo se aproxima de outro (ou de um grupo de átomos), eles podem interagir. No nível quântico, suas funções de onda podem se sobrepor e os átomos se ligam para formar moléculas, íons e sais. Essas estruturas conectadas têm suas próprias formas e configurações únicas de nuvens de elétrons. Conseqüentemente, eles têm seus próprios níveis de energia únicos, absorvendo e emitindo fótons apenas em determinados comprimentos de onda.
As transições eletrônicas atômicas no átomo de hidrogênio e os comprimentos de onda dos fótons resultantes demonstram a energia da ligação e a relação entre um elétron e um próton na física quântica.
Essas transições eletrônicas em um átomo ou grupo de átomos são únicas: são diferentes para cada átomo ou configuração de um grupo de átomos. Ao detectar as linhas espectrais de um átomo ou molécula - não importa se é absorção ou emissão - você pode dizer imediatamente que tipo de átomo ou molécula é. As transições eletrônicas internas são consistentes com um conjunto único de níveis de energia, e as transições eletrônicas indicam de forma inequívoca o tipo e a configuração do (s) átomo (s).
Em todo o universo, átomos e moléculas obedecem às mesmas regras: as leis da eletrodinâmica clássica e quântica, que governam todas as partículas carregadas. Mesmo dentro do próprio núcleo atômico, que consiste em quarks e glúons carregados sem carga elétrica, as conexões eletromagnéticas desempenham um papel crítico. Essa estrutura interna explica porque o momento magnético de um próton é quase três vezes mais forte que o momento magnético de um elétron (e tem o sinal oposto), enquanto um nêutron tem um momento magnético quase duas vezes maior que o de um elétron e tem o mesmo placa.
O nível de energia mais baixo de hidrogênio (1S) no canto superior esquerdo tem uma nuvem de elétrons probabilística muito densa. Em níveis de energia mais elevados, as nuvens são semelhantes, mas têm uma estrutura mais complexa. Para o primeiro estado excitado, existem duas configurações independentes: 2S e 2P, que, devido a um efeito quase imperceptível, produzem diferentes níveis de energia.
Embora a interação elétrica funcione em distâncias bastante grandes - na verdade, como a gravidade, também não tem limitações - a neutralidade elétrica do átomo como um todo desempenha um papel extremamente importante na compreensão do comportamento de todo o universo. A interação eletromagnética é incrivelmente forte - dois prótons são repelidos com uma força 10 36 vezes maior do que sua atração gravitacional!
Mas, uma vez que os objetos macroscópicos a que estamos acostumados consistem em tantos átomos, e como os próprios átomos são eletricamente neutros, notamos algo apenas se:
- o objeto tem uma carga elétrica, como um eletroscópio carregado,
- quando a carga flui de um lugar para outro, como em um raio,
- quando as cargas se separam, criando um potencial elétrico, como em uma bateria.
Um dos exemplos mais simples e interessantes desses processos pode ser visto esfregando um balão em sua própria camiseta e, em seguida, tentando encostá-lo no cabelo ou na parede. A bola vai ficar presa porque a transição ou redistribuição de um pequeno número de elétrons dá ao objeto uma carga que pode superar a força da gravidade. Essas são forças de van der Waals , elas agem entre moléculas, e mesmo objetos em geral neutros podem ter uma interação eletromagnética que pode resistir à gravidade em curtas distâncias.
Ao esfregar dois materiais diferentes, como pano e plástico, você pode transferir cargas de um para o outro, fazendo com que ambos os objetos sejam carregados.
Nos níveis clássico e quântico, uma grande quantidade de informações associadas às interações eletromagnéticas é codificada no átomo, enquanto a relatividade geral "clássica" (não quântica) é suficiente para explicar as interações atômicas e subatômicas que já encontramos. Se você se aprofundar ainda mais no átomo, dentro dos prótons e nêutrons, poderá revelar a natureza e as propriedades das demais interações fundamentais: fracas e fortes.
Conforme você desce para a escala do femtômetro, primeiro começa a notar os efeitos de interações fortes. Pela primeira vez, ele se manifesta entre diferentes núcleos - prótons e nêutrons, dos quais qualquer núcleo consiste. A interação elétrica entre dois núcleons os repele (as cargas dos prótons são as mesmas) ou não surge (os nêutrons não têm cargas). Mas, a pequenas distâncias, há uma interação ainda mais forte do que a eletromagnética: uma forte interação que funciona entre quarks por meio da troca de glúons. Diferentes prótons e nêutrons podem trocar pares de quarks-antiquarks - mésons - isso os une no núcleo e, com uma configuração adequada, supera a força de repulsão eletromagnética.
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Nas profundezas do núcleo atômico, a interação forte se manifesta de uma maneira diferente: quarks individuais estão constantemente trocando glúons. Além da carga gravitacional (massa) e da carga eletromagnética inerente à matéria, há também uma carga característica dos quarks e glúons: colorida. Eles nem sempre se atraem, como a gravidade, ou têm duas cargas que podem ser repelidas ou atraídas como as elétricas. Eles têm três cores independentes - vermelho, verde e azul - e três anticores. Eles são encontrados apenas em uma combinação “incolor”, na qual todas as três cores (ou anti-cores) são combinadas, ou combinações de cores e anti-cores são combinadas.
Manter os prótons e nêutrons intactos é a troca de glúons - especialmente quando os quarks se afastam e a força forte aumenta. Quanto mais energia você pode transferir por meio de colisões com partículas subatômicas, mais quarks, antiquarks e glúons você pode ver. Parece que o interior do próton está cheio de um mar de partículas e, quanto mais forte você o atinge, mais pegajoso ele se torna. Indo mais fundo pela quantidade de energia máxima de que dispomos, ainda não vemos nenhuma restrição à densidade dessas partículas subatômicas no interior dos núcleos atômicos.
O próton não é apenas três quarks com glúons. É todo um mar de partículas densas e antipartículas. Quanto mais estudamos o próton, mais energia gastamos em colisões inelásticas e mais estrutura interna encontramos nele.
Mas nem todo átomo é capaz de viver para sempre em uma configuração estável. Muitos átomos sofrem decaimento radioativo - mais cedo ou mais tarde eles emitem uma ou mais partículas, o que muda fundamentalmente suas propriedades. O tipo mais comum de decaimento é o decaimento alfa , no qual um átomo instável expele um núcleo de hélio com dois prótons e dois nêutrons. O segundo tipo mais comum é o decaimento beta , no qual um átomo cospe um elétron e um neutrino anti-elétron, e um dos nêutrons do núcleo se transforma em um próton.
Isso requer outra nova força: a força nuclear fraca. Depende do seu tipo de carga - fraca, que é uma combinação de hipercarga fraca e isospin fraco . Cargas fracas provaram ser extremamente difíceis de medir, uma vez que as interações fracas são milhões de vezes mais fracas do que fortes ou eletromagnéticas - até que você desça a escalas extremamente pequenas, como 0,1% do diâmetro de um próton. Interações fracas podem ser observadas em um átomo adequado, pronto para o decaimento beta. Acontece que todas as quatro interações fundamentais podem ser sondadas simplesmente estudando o átomo.
Representação esquemática do decaimento beta de um núcleo atômico massivo. O nêutron se transforma em um próton, um elétron e um neutrino anti-elétron. Antes da descoberta dos neutrinos, parecia que a energia e o momento não eram conservados em decaimentos beta.
Algo notável decorre disso: se você pegar qualquer partícula do Universo, mesmo que ainda não aberta, mas sujeita a uma dessas interações, ela também interagirá com os átomos. Por meio de interações com partículas dentro de um átomo normal, descobrimos um grande número de partículas - incluindo todos os tipos de neutrinos e antineutrinos. Somos feitos de um átomo e ao mesmo tempo uma janela para a verdadeira natureza da matéria.
Quanto mais profundamente examinamos os blocos de construção da matéria, melhor entendemos a natureza do próprio universo. Somente interrogando o Universo sobre o assunto de quais regras todas as partículas e antipartículas obedecem, e como elas se ligam umas às outras, podemos entender sua estrutura. E enquanto a ciência e a tecnologia, sujeitas a nós, nos permitem cavar mais e mais fundo, seria uma pena recusar a pesquisa apenas porque elas não podem nos garantir alguma nova descoberta revolucionária. A única coisa que se sabe com certeza: se não cavarmos mais fundo, nunca encontraremos nada.